8. Видеомагнитофоны и видеокамеры.

Общие сведения о магнитной видеозаписи.

Магнитная видеозапись основана на спо­собности некоторых материалов приобре­тать остаточную намагниченность в резуль­тате воздействия магнитного поля - поля рассеяния записывающей головки, которая и является преобразователем электричес­кого сигнала в магнитное поле. Эти матери­алы - ферромагнетики - используются в ка­честве рабочего слоя носителя магнитной записи. Их свойства характеризуются петлей гистерезиса, отражающей соотношение между намагниченностью материала и на­пряженностью приложенного магнитного поля, в свою очередь определяемого пара­метрами записываемого электрического сигнала.

Существует комплекс объективных пока­зателей, характеризующих любую систему записи, таких как величины амплитудно-ча­стотных и нелинейных искажений, отноше­ние сигнал/шум, величина и характер иска­жений временного масштаба сигнала и др. Зная эти характеристики, можно дать оцен­ку качеству записи любых сигналов.

Процесс записи. Из-за нелинейности начальной кривой намагничивания могут возникать большие нелинейные искажения с коэффициентом гармоник до 15...20 %. Однако наличие нелинейных искажений у воспроизводимого сигнала не всегда при­водит к искажениям сообщения. Например, при записи сигналов с временной модуляци­ей (частотной, фазовой и др.) нелинейные искажения не сказываются на законе моду­ляции и поэтому сообщение на выходе де­модулятора остается неискаженным. При записи с высокочастотным подмагничиванием (ВЧП) амплитудная характеристика трак­та линеаризуется, благодаря чему увеличи­вается крутизна кривой намагничивания в области малых значений поля, а следова­тельно увеличивается чувствительность сис­темы записи в целом. Нелинейные искажения при записи с ВЧП уменьшаются до 1.. .2 %.

Амплитудная характеристика тракта в значительной степени зависит также и от длины волны записываемого сигнала. Выб­рать значения тока записи и тока ВЧП, опти­мальные для всех частот широкополосного сигнала, оказывается невозможным.

При магнитной видеозаписи на ленту за­писывается сложный сигнал, содержащий колебания различных частот. Механизм за­писи сложного сигнала имеет общие черты с режимом записи с подмагничиванием, поскольку одни составляющие его спектра играют роль подмагничивания для других. Поэтому этот режим называется записью с автоподмагничиванием. Так как соотноше­ние между различными составляющими в реальном сигнале непрерывно меняется, амплитудная характеристика тракта также оказывается непостоянной и зависит от кон­кретного вида записываемого сигнала. При видеозаписи дополнительным преобразо­ванием видеосигнала в канале магнитной записи/воспроизведения является узкопо­лосная частотная модуляция, при которой уровень несущей частоты ЧМ сигнала значи­тельно превышает уровень боковых частот спектра.

Поэтому в первом приближении можно считать, что несущая частота играет роль подмагничивания для других составляющих спектра сложного сигнала.

Процесс воспроизведения. В отличие от записи, процесс воспроизведения проис­ходит при слабых магнитных полях и поэто­му является линейным. Следовательно, амплитудная характеристика тракта воспро­изведения тоже линейна. В то же время его амплитудно-волновая характеристика² су­щественно отклоняется от идеальной гори­зонтальной линии, что обусловлено влияни­ем волновых потерь.

Частотная характеристика тракта весьма неравномерна и в области высоких частот спадает примерно по экспоненциальному закону. Объясняется это преимуществен­ным влиянием на частотную характеристику контактных и слойных потерь. В области низ­ких частот (больших длин волн) значитель­ное влияние на потери оказывают конечные размеры воспроизводящей головки. Имеются также потери на гистерезис и на вихре­вые токи, причем последние обычно преоб­ладают. Потери на вихревые токи растут с частотой, вызывая спад частотной харак­теристики. Поэтому в магнитных видеого­ловках обычно применяют сердечники из материалов, имеющих малые потери на вих­ревые токи, в частности ферриты.

Помехи тракта записи/воспроизведе­ния. Помехи, действующие при записи и вос­произведении, приводят к заметному ухудше­нию качественных показателей передачи сигнала. Поэтому в аппаратах видеозаписи применяют специальные меры по уменьше­нию уровня помех и снижению степени их влияния на воспроизводимые видеосигналы. Источниками помех служат элементы запи­си - головки, носители записи, усилители, лентопротяжные механизмы, а причиной воз­никновения помех является не идеальность конструкции и работы этих элементов.

Рабочий слой современных магнитных лент состоит из частиц, распределенных в немагнитном связующем веществе. Маг­нитные частицы по объему рабочего слоя распределены неравномерно, так что коли­чество магнитного вещества в единице объема рабочего слоя меняется по длине ленты. Кроме того, сами частицы неодина­ковы: они отличаются и по геометрическим размерам, и по магнитным свойствам. По­этому даже при намагничивании ленты постоянным полем возникает некоторый магнитный поток рассеяния, который при воспроизведении воспринимается как шум. Этот шум, причиной возникновения которо­го является дискретная структура магнитных частиц и неравномерность их распределе­ния, называется структурным шумом. Вели­чина его зависит от уровня намагниченнос­ти ленты. Шум размагниченной ленты срав­нительно мал и имеет уровень -60...-70 дБ. При намагничивании уровень структурного шума растет примерно пропорционально величине намагниченности и для намагни­ченной ленты составляет -35...-40 дБ. Структурный шум лент имеет нормальное распределение и является преимуществен­но низкочастотным. Если в процессе записи расстояние между головкой и носителем ме­няется случайным образом, то возникает па­разитная амплитудная модуляция намагни­ченности, которая имеет характер помехи и называется контактной помехой записи.

К наиболее существенной паразитной AM приводит случайный неконтакт, вызыва­емый неровностями рабочих поверхностей лент и головок. Из-за этих неровностей лен­та соприкасается с головкой не по всей ра­бочей поверхности, а только в ряде точек. При этом расстояния, на которые удалены от головки отдельные участки ленты, различны для разных участков и зависят от микропро­филей лент и головок. Неконтакт особенно заметно сказывается при записи коротких волн. Поэтому в системах видеозаписи при­нимают специальные меры для его умень­шения. В частности, рабочие поверхности всех лент и головок тщательно полируются и, кроме того, в профессиональных аппара­тах используют специальный воздушный подсос ленты к головкам.

При записи сигналов малой длины вол­ны иногда наблюдаются кратковременные, но очень глубокие (до 50...60 дБ) уменьше­ния уровня воспроизводимого сигнала. Это явление обычно связано с нарушением кон­такта между головкой и лентой и называет­ся выпадением. Причиной выпадений могут быть попадание между рабочими поверхно­стями головок и лент частиц пыли из возду­ха, наличие на поверхности ленты сгустков ферромагнитного лака и каких-либо инород­ных вкраплений, попавших в магнитный лак при производстве лент. Выпадения при видеозаписи приводят к появлению на изоб­ражении искр, черных или белых узких гори­зонтальных штрихов и полос и заметно сни­жают качество изображения.

ЭДС воспроизводящей головки при за­данной плотности записи пропорциональна ширине дорожки воспроизведения и числу витков обмоток воспроизводящей головки. Для обеспечения высокой плотности запи­си в видеомагнитофонах выбирают ширину дорожки 0,26 мм и меньше, а число витков обмоток ввиду высокочастотного характера телевизионного сигнала нельзя выбирать больше 10-15. Поэтому ЭДС видеоголовок не превышает нескольких милливольт. При таком малом уровне сигнала значительное влияние на помехоустойчивость канала записи/воспроизведения оказывают соб­ственные шумы магнитных головок и усили­теля воспроизведения. Эти шумы имеют аддитивный характер и являются широкопо­лосными. Уровень аддитивного шума равен примерно -70 дБ.

Специфическим источником искажений сигналов во всех системах записи на под­вижный носитель являются колебания ско­рости перемещения носителя, которые помимо паразитной частотной модуляции приводят к искажениям временного масш­таба сигналов. Это означает, что временные соотношения в воспроизводимом сигнале отличаются от временных соотношений в за­писываемом сигнале, из-за чего появляются геометрические искажения видеосигнала и, кроме того, создаются определенные труд­ности при работе видеомагнитофона парал­лельно с другими источниками программ.

К геометрическим искажениям приводит также изменение взаимного положения го­ловки и носителя при воспроизведении по сравнению с записью.

Особенности записи видеосигналов. Специфика видеосигнала и неодинаковая заметность искажений разного вида у видео­сигнала и звука обусловили появление ряда дополнительных требований к видеомаг­нитофону по сравнению с аппаратами зву­козаписи. Поэтому запись телевизионных изображений стала возможной только бла­годаря значительному усовершенствованию и повышению качественных показателей всех элементов системы магнитной записи.

К наиболее важным свойствам ТВ сигна­ла, определяющим основополагающие па­раметры видеомагнитофонов и видеокамер, относятся:

• высокая верхняя частота сигнала;

• широкий частотный диапазон с отноше­нием f_max/f_min более 100 ООО;

• необходимость точного поддержания временных соотношений, существовавших в исходном сигнале;

• необходимость достаточно высокого превышения сигнала над шумом.

Для записи телевизионного сигнала надо иметь тракт, примерно в 100-150 раз более широкополосный, чем для звукозаписи. Оче­видно, что для осуществления записи/вос­произведения видеосигналов необходимо уменьшить отношение высшей частоты в спектре записываемого сигнала к низшей, т.е. осуществить относительное сжатие частотно­го диапазона. При этом условия записи и вос­произведения будут тем более благоприят­ными, чем выше степень сжатия. Это связано не только с выбором оптимального режима намагничивания, но также и с тем, что в этом случае частотная характеристика тракта в пределах полосы пропускания оказывается более равномерной и отношение сигнал/шум может быть обеспечено достаточно высоким в пределах всего диапазона частот.

Для относительного сжатия частотного диапазона необходимо переместить спектр видеосигнала в более высокочастотную область. Чем дальше по оси частот перене­сен спектр видеосигнала, тем больше отно­сительное сжатие. С другой стороны, пере­нос спектра видеосигнала сопровождается ростом максимальной записываемой часто­ты. Запись высоких частот также представ­ляет собой сложную техническую задачу, и поэтому оказалось целесообразным сме­щать спектр видеосигнала примерно на 0,5... 1,0 МГц, что обеспечивает относитель­ное его сжатие. Для преобразования спек­тра видеосигнала можно применять гетеродинирование или модуляцию. В первом случае полоса частот модулированного сигнала не расширяется по сравнению со спектром исходного сигнала. Расширения спектра можно избежать и при использова­нии однополосной амплитудной модуляции. Однако в обоих случаях сигнал сильно под­вержен влиянию помех.

Как было отмечено, основные помехи тракта записи/воспроизведения имеют мо­дуляционный характер. Устранить влияние паразитной AM можно, если использовать какой-либо из видов временной модуляции, в частности частотную модуляцию. При этом полезная информация содержится в изме­нениях частоты, а не амплитуды модулиро­ванного сигнала, что дает возможность перед демодуляцией ограничить воспроиз­водимое колебание по амплитуде, устранив тем самым действие модуляционных помех. В системах видеозаписи принято использо­вать узкополосную ЧМ с низким индексом модуляции и низким отношением несущей частоты к высшей модулирующей частоте. Частотное ограничение ЧМ сигнала при­водит, однако, к глубокой паразитной AM воспроизводимого сигнала и появлению не­линейных искажений в видеосигнале на вы­ходе ЧМ демодулятора. Обычно паразитная AM полностью устраняется глубоким, до 60 дБ, ограничением уровня воспроизводи­мого сигнала. Нелинейные искажения ви­деосигналов приводят к изменению града­ций яркости изображения.

Серьезные трудности при записи видео­сигналов возникают из-за наличия в его спектре значительных высокочастотных со­ставляющих. Переход к частотам примерно в 500 раз более высоким, чем те, которые встречались при звукозаписи, потребовал разработки и использования для сердечни­ков магнитных головок новых материалов, в которых потери на вихревые токи были бы достаточно малыми. Кроме того, запись сигналов высоких частот потребовала зна­чительного повышения плотности записи. Это требование привело к разработке маг­нитных головок с шириной рабочего зазора менее 2 мкм и магнитных лент с тонким ра­бочим слоем.

Несовпадение скоростей записи и вос­произведения приводит к искажениям вре­менного масштаба сигналов. Эти искажения при видеозаписи проявляются в виде зубча­тости при передаче вертикальных полос изображения или искривлений этих полос. Временные искажения снижают четкость изображений и приводят к неустойчивости синхронизации. Визуальное восприятие временных искажений определяется режи­мом синхронизации воспроизводимого ви­деосигнала.

Визуальный характер восприятия видео­сигналов определяет специфику влияния на них шумов. Низкочастотные компоненты шума вызывают мерцание изображения, по­явление на нем серых пятен. Высокочастот­ные помехи ухудшают разрешающую спо­собность, приводят к размытости линий.

Форматы видеозаписи. Использова­ние для видеозаписи методов поперечно­строчной и наклонно-строчной записи яви­лось тем решающим шагом, который привел к широкому распространению и развитию магнитной видеозаписи. При этом видеосиг­нал не делится на субсигналы, а целиком записывается на носитель. Но, в отличие от продольной, при поперечно-строчной запи­си головки не закреплены неподвижно, а расположены на вращающемся вокруг го­ризонтальной оси диске, огибаемом лентой (рис. 1).

Рис. 1. Иллюстрация принципа поперечно-строчной записи

Сначала в студийных стационарных ВМ использовалась широкая магнитная лента (обычно 50,8 мм), которая направляющими формовалась в дугу окружности и протяги­валась лентопротяжным механизмом мимо вращающегося вокруг горизонтальной оси барабана с закрепленными на нем магнит­ными головками. Траектория перемещения головки по ленте определяется совместным действием вращения головки и поступатель­ного движения ленты так, что направление записи образует некоторый угол с направ­лением движения ленты. Дорожка записи оказывается разделенной на строки, причем информация, содержащаяся в них, являет­ся продолжением информации предыдущей строки. Строки записи в этом случае прак­тически перпендикулярны направлению движения ленты. Угол охвата лентой блока вращающихся головок (БВГ) связан с коли­чеством видеоголовок, записывающих (или воспроизводящих) два полукадра полного ТВ сигнала. В случае, когда используются 4 видеоголовки, расположенные на БВГ через 90°, лента должна охватывать не менее чет­верти окружности БВГ. А в случае, когда ис­пользуются 2 видеоголовки, расположенные диаметрально противоположно на БВГ, лен­та должна охватывать, по крайней мере, полуокружность БВГ. При этом каждая ви­деоголовка записывает или воспроизводит полукадр полного ТВ сигнала, а частота вра­щения БВГ равна частоте смены кадров ТВ сигнала, что позволяет при неподвижной ленте осуществить воспроизведение непод­вижного стоп-кадра.

В 1956 г. фирмой АМРЕХ был создан пер­вый видеомагнитофон с поперечно-строч­ной записью, в котором были решены основ­ные проблемы магнитной записи телевизи­онных программ:

• обеспечение высокой относительной скорости головка/лента;

• достаточная продолжительность проиг­рывания;

• оптимальный динамический диапазон во всем спектре записываемых сигналов изображения.

Этот способ сделал возможным запись видеосигналов с полосой частот до 4 МГц на магнитную ленту шириной 50,8 мм при ско­рости ее движения до 38 см/с.

Следующим шагом в развитии магнитной видеозаписи было появление в 1961 г. наклонно-строчного, или диагонального, ме­тода записи, который был разработан для упрощения механической и электрической частей видеомагнитофона. На одну строку здесь записывается уже целое телевизион­ное поле, тогда как при поперечной записи - 15-16 телевизионных строк. Относитель­ная скорость головка/лента также обеспечи­валась за счет вращения диска с головками относительно медленно перемещаемой маг­нитной ленты шириной 25,4; 19; 12,65 или 8 мм. На диске устанавливается от 1 до 4 ви­деоголовок. Количество их определяется ди­аметром диска БВГ и углом его охвата лентой. Способы записи сигналов изображения на магнитную ленту приведены на рис. 2.

Использование кассетной зарядки для сохранности ленты и упрощения работы с аппаратом подчеркнуло преимущество 2-головочных аппаратов, которые использу­ются в основном в бытовой и полупрофес­сиональной областях записи телевизионных программ. А 4-головочные системы были в дальнейшем использованы в видеокаме­рах с целью уменьшения их габаритов.

С одной стороны, для увеличения плот­ности записи видеограмм необходимо уве­личивать число строк, расположенных на единице длины магнитной ленты. С другой стороны, уменьшение ширины строки запи­си вызывает ухудшение отношения сигнал/ шум в воспроизводимом сигнале изображе­ния и возможно до определенного предела.

Поэтому целесообразно отказаться в сигналограмме от защитных промежутков между строками записи (рис. 3). Однако на краях строк наблюдается краевой эффект, т.е. рас­сеяние магнитного потока, вызывающее взаимное влияние между соседними стро­ками. Это исключает чисто механическое устранение защитных промежутков.

В связи с тем, что при записи информа­ции на магнитную ленту без защитных про­межутков длина рабочего зазора видеоголо­вок обычно принимается больше установ­ленной ширины строк записи, возникает еще одна проблема: при записи каждая видеого­ловка записывает информацию на свою строку с частичным стиранием и наложени­ем ее на предыдущую. Тогда при воспроиз­ведении каждая видеоголовка помимо сво­ей строки считывает информацию и с сосед­них (рис. 4, а). Сигналы с них - это пара­зитная помеха для основного сигнала, кото­рая значительно ухудшает один из основных параметров аппарата - отношение сигнал/ шум. Такую помеху принято называть пере­крестной.

В случае непараллельности рабочих за­зоров головок воспроизведения и записи, как известно из теории магнитной записи, считываемый сигнал ослабляется и тем больше, чем выше частота записываемого сигнала, т.е. чем меньше его длина волны. На рис. 4, б приведены кривые зависимости ослабления воспроизводимого сигнала при изменении азимутального наклона - угла наклона зазора головки воспроизведения.

Наиболее эффективно на подавление помех наклон рабо­чих зазоров сказывается, как следует из рис. 4, б, в облас­ти верхних частот диапазона видеосигнала, а на сравнитель­но низких частотах помеха прак­тически не ослабляется. Одна­ко значительное увеличение угла наклона по азимуту (свыше .20°) нецелесообразно, так как приводит к расширению эффективной ширины рабочего зазора, увеличению щелевых потерь и, в результате, к умень­шению отдачи при воспроиз­ведении.

Для формата VHS фирма JVC в 1976 г. предложила видеограмму без защитных промежутков (см. рис. 9.3, б). В этом случае, как отмеча­лось выше, возникают перекрестные поме­хи, значительно ухудшающие отношение сигнал/шум. Для их устранения было пред­ложено осуществлять запись видеоголовка­ми, зазоры которых развернуты на ±6° отно­сительно перпендикуляра к строке записи - это так называемый азимутальный способ записи. Следовательно, азимут головки счи­тывания при воспроизведении должен точ­но соответствовать азимутальному углу го­ловок записи. Смещение головки на сосед­нюю строку, записанную головкой с проти­воположным азимутальным углом, не дает значительных искажений благодаря суще­ственному уменьшению уровня воспроизво­димого с этой строки сигнала, рассматрива­емого в данном случае как помеха. Этот эф­фект называется азимутальным.

Для сигнала яркости ослабление пере­крестных помех между соседними строками записи вполне удовлетворительно, чего нельзя сказать в отношении сигнала цветно­сти. Для сигнала цветности, который при за­писи переносится в нижнюю часть спектра, подавление перекрестной помехи неэффек­тивно. Для ее подавления применяются спе­циальные меры, которые рассмотрим ниже.

При переходе к наклонно-строчной запи­си в ВМ с постепенным уменьшением угла отклонения оси барабана вращающихся головок от вертикали и увеличением диамет­ра барабана все длинней становились ви­деодорожки на магнитной ленте. Это позво­лило, во-первых, перейти от очень дорогой и капризной в эксплуатации 2-дюймовой лен­ты сначала к дюймовой (25,4 мм), а затем и к полудюймовой (12,56 мм), а во-вторых, уменьшить количество оборотов барабана видеоголовок до 25 в секунду, да и уменьшить до двух количество видеоголовок. Таким об­разом, в ВМ постепенно перешли от «сегмен­тной» записи телевизионных кадров, т.е. та­кой, когда за каждый проход видеоголовки по ленте передается только часть поля те­левизионного изображения, к «несегмент­ной», когда барабан вращается со скоростью 25 об/с и каждая из двух видеоголовок за­писывает на ленте телевизионный полукадр, что позволяет при неподвижной ленте обес­печить воспроизведение стоп-кадра.

Во всех форматах профессиональной и бытовой видеозаписи (за исключением формата Q - Quadruplex фирмы АМРЕХ, в ко­тором запись поперечно-строчная) применя­ется наклонно-строчная запись вращающи­мися видеоголовками. При этом записыва­ются либо композитные сигналы, т.е. сигна­лы яркости и цветности записываются совме­стно без переноса сигнала цветности в низ­кочастотную область или с переносом «цвет внизу», либо используется так называемая компонентная видеозапись (запись компо­нентного ТВ сигнала), когда сигналы яркости и цветности записываются раздельно, на­пример, каждый на своей дорожке записи.

По мере развития и совершенствования форматов профессиональной аналоговой магнитной видеозаписи к концу 60-х гг. появилась возможность выпуска бытовых черно-белых катушечных ВМ достаточно хо­рошего качества записи. Поскольку при использовании в быту кассетные*магнитофоны удобнее катушечных, а это уже было всеми признано в аудиотехнике, то быстро начали разрабатываться и кассетные ВМ. Кассета предохраняет ленту от царапин и загрязне­ний, ее проще хранить и заправлять в аппа­рат. К тому же быстрое совершенствование электроники и технологии производства вы­сококачественных магнитных лент позволи­ло подготовить выпуск уже не черно-белых, а цветных кассетных ВМ. Разные фирмы шли своим путем, создавая все втайне от других. Таким образом, к середине 70-х гг. появи­лось довольно большое количество лентоп­ротяжных механизмов (ЛПМ) и форматов бытовой записи, имевших как определенные достоинства, так и недостатки.

Фирма SONY выпустила кассетные ВМ U- matic, работающие на ленте 19 мм и послу­жившие основой для профессиональных кассетных ВМ. На рис.5 показана схема заправки магнитной ленты вокруг барабана вращающихся видеоголовок. Как видно, зап­равка ленты из кассеты с копланарным рас­положением катушек осуществляется путем достаточно длинной U-образной траектории перемещения петли ленты вокруг блока ви­деоголовок (БВГ).

Рис. 5 Рис. 7

В начале 70-х гг. фирма GRUNDIG массо­во выпускает цветной кассетный ВМ ВК 2000 нового формата, получивший позже наиме­нование VCR (Video Cassette Recorder). В этом ВМ была использована коаксиальная кассета с двумя соосно друг над другом сто­ящими катушками с лентой 12,7 мм (прием­ной и подающей). За счет этого в два раза уменьшилась длина кассеты, но также в два раза увеличилась ее толщина. Схема заправ­ки ленты приведена на рис. 6. Как видно, механизм заправки сделан также в виде вра­щающегося кольца, однако траектория пе­ремещения петли более простая, чем в пре­дыдущем случае.

Рис. 6

Уроки конкурентной борьбы GRUNDIG и PHILIPS за рынок аудиокассет пошли впрок и обе эти фирмы начали работать вместе, сообща разрабатывая новый формат ВМ - Video-2000. Появившись в середине 70-х гг., эти ВМ просуществовали около 10 лет, боль­шого распространения не получили и не вы­держали конкуренции с VHS.

В мае 1975 г. фирма SONY выпустила ВМ формата Betamax, работавший на ленте 12,7 мм. Betamax - практически первый стандартизированный бытовой формат аналоговой кассетной видеозаписи. Как и в других форматах, в нем записывается композитный ТВ сигнал, цветовая поднесу- щая перенесена по шкале частот ниже по­лосы ЧМ сигнала яркости, применяется ази­мутальная запись. Фирма использовала свои наработки в конструкции механизма заправ­ки ленты ЛПМ. Поэтому, несмотря на то, что механизм заправки (рис. 7) и весь ЛПМ с ма­логабаритной кассетой получились неболь­шими и компактными, а фирма целиком зах­ватила рынок США и американского конти­нента, сложность механизма и капризность его в работе привели к экономическим поте­рям в борьбе с VHS и через 10 лет ВМ Betamax были вытеснены видеомагнитофонами фор­мата VHS.

VHS - Video Home System - самый рас­пространенный фор­мат бытовой видеоза­писи, разработанный фирмой JVC (Japan Victor Company) при поддержке MATSUSHITA и др. японских фирм. В 1976 г. был выпущен первый серийный ВМ VHS. Благодаря простоте и надежности механизма заправки ленты (рис. 8) конку­ренцию ВМ VHS не смогли оказать никакие новые разработки, даже новый проект SONY - Video-8.

В 1985-86 гг. SONY выпустила новый формат ВМ - Video-8. В нем использовались новая лента шириной 8 мм и компактная кас­сета. Была применена новая металлопорош­ковая лента, позволившая улучшить пара­метры записи ВМ. Габариты видеокамер уменьшились с «наплечных» до «карманных» размеров. Однако, несмотря на все усилия SONY сделать новый формат общемировым стандартом, никто не собирался выбрасы­вать все ВМ и записи формата VHS, хотя ви­деокамеры Video-8 остались наиболее удоб­ными для работы.

Тем не менее JVC-MATSUSHITA ответи­ла на вызов SONY сразу по двум направле­ниям - габариты и качество записи.

В первом случае они выпустили видеока­меры компакт-VHS (VHS-С), которые уступа­ли видеокамерам Video-8 только по толщи­не, так как в них использовалась все та же лента 12,7 мм. Зато был одновременно раз­работан адаптер, который внешне представ­ляет собой обычную кассету VHS, но в него вставляется кассета VHS-С и лента электро­мотором от батарейки заправляется внутри адаптера под стандартную кассету VHS. Таким образом, адаптер с записанной кас­сетой VHS-С может быть использован в лю­бом ВМ VHS.

Во втором случае для значительного улучшения качества записи и повышения четкости с 230 до 420 линий MATSUSHITA разработала и в 1989 г. выпустила ВМ фор­мата Super-VHS (S-VHS). В нем начали использоваться кассеты с новой металлопо­рошковой лентой. Кассеты ничем не отлича­лись от стандартных VHS, кроме наличия идентификационного отверстия, что свиде­тельствовало об установке в кассете новой ленты. Поэтому эти кассеты могли исполь­зоваться в любом VHS ВМ, но в обычном формате. Точно так же и любая старая запись на стандартной VHS кассете может быть про­смотрена на S-VHS ВМ. Была достигнута главная цель - преемственность форматов записи VHS. По сравнению с VHS повышена несущая частота сигнала яркости и расшире­на полоса девиации частоты, что улучшает четкость изображения и отношение сигнал/ шум. Для видеокамер разработан формат компакт-супер, обозначаемый S-VHS-C.

В Video-8 (с размером видеокассет 95x63x14 мм) наряду с металлопорошковой лентой (тип МР) началось широкое практи­ческое применение металлонапыленной магнитной ленты (тип ME). Ленты МР и ME в указанной видеокассете имеют длитель­ность записи/воспроизведения до 2 ч, при­чем лента ME обеспечивает лучшее качество изображения. Длина наклонной дорожки за­писи 78 мм. Основная часть дорожки (67 мм) используется для записи ЧМ сигнала ярко­сти, а также перенесенного вниз по шкале частот сигнала цветности и ЧМ сигнала зву­ка на несущей 1,5 МГц. На остальной части дорожки может записываться цифровой сиг­нал звука (ИКМ запись звука) - 2 канала. Видеосигнал, частотно-модулированный и цифровой сигналы звука записываются од­ними и теми же головками (2 шт.).

После появления формата Super-VHS SONY пришлось позаботиться о повышении параметров записи Video-8. Был разработан Hi-8 - усовершенствованный вариант преды­дущего формата. По сравнению с ним значи­тельно повышена несущая частота сигнала яркости и расширена с 1,2 до 2 МГц полоса девиации, что делает Hi-8 одним из наиболее высококачественных среди бытовых форма­тов. Оба последних формата - композитные.

После краха Betamax SONY предложила первый «малый» профессиональный формат для видеожурналистики - Betacam, основан­ный на этом бытовом формате и использу­ющий старую кассету. Однако в новом фор­мате сигнал яркости и цветоразностные сигналы записываются на раздельных до­рожках, звук - в аналоговом виде. Betacam SP - улучшенный вариант предыдущего формата. Применение в нем высококоэрцитивной металлопорошковой видеоленты повысило несущую частоту и улучшило отно­шение сигнал/шум. Звук может записывать­ся как в аналоговой форме на двух продоль­ных дорожках, так и по двум ЧМ каналам на наклонных дорожках. Видеокассеты этого формата обычно рассчитаны на длитель­ность записи до 30 мин, кассеты большего размера - на 90 мин.

В табл. 1 приведены основные характе­ристики рассмотренных выше форматов ви­деозаписи.

Таблица 1

Форматы профессиональной цифро­вой видеозаписи. При передаче телевизи­онного изображения цифровая запись име­ет заметное преимущество перед записью ТВ сигналов в аналоговой форме, а именно:

• незначительная потеря ка­чества изображения при записи и воспроизведении;

• незначительное ухудшение отношения сигнал/шум даже при многократном копировании ви­деограмм (что особенно важно при монтаже видеофильмов);

• простота настройки и обслу­живания аппаратуры, так как от­падает необходимость в много­численных регулирующих и кор­ректирующих элементах.

Однако переход к цифровой форме требует расширения поло­сы частот в канале передачи ин­формации. На начальном этапе это увеличивало расход носителя на 1 час вещания до 4 раз, что исключало возможность созда­ния пригодных к эксплуатации ап­паратов.

Дальнейшее повышение разрешающей способности магнитной записи за счет вне­дрения высокоэнергетических магнитных лент, высокоэффективных видеоголовок с одновременным усовершенствованием си­стем преобразования и кодирования ТВ сиг­налов позволило создать целую гамму циф­ровых аппаратов для профессионального и полупрофессионального использования.

Форматы видеозаписи.

К настоящему времени окончательно сформировался мировой парк видеомагни­тофонов и видеокассет форматов VHS, S-VHS, VHS-С. Дальнейшего, причем резко­го, улучшения как качественных, так и эксп­луатационных показателей ВМ можно до- биться только с переходом на другой уро­вень - бытовых цифровых кассетных ВМ. Поэтому далее будем подробно рассматри­вать ВМ формата VHS.

На рис. 9, а приведены виды сверху и спереди на БВГ с заправленной лентой, а также расположение на ленте всех записы­ваемых дорожек - управления, звуковой и видео. На рис. 9, б представлены видео­строки, записываемые ВГ с азимутальными разворотами на ±6°. Итоговая сигналограм­ма формата VHS показана на рис. 10.

Как было сказано, принципы видеозапи­си основываются на разделении спектра полного ТВ сигнала (рис. 11, а) низкочас­тотным и полосовым фильтрами на сигналы яркости и цветности (рис. 11, б). Сигналом яркости, выделенным в полоседо 3 МГц, мо­дулируется по частоте поднесущая 4,3 МГц (рис. 11, в). Асигналы цветности, выделен­ные в полосе 3,9...4,7 МГц, переносятся на участок спектра 0,3... 1,1 МГц (частота гете­родина 5,06 МГц) (рис. 11, г). При записи на магнитную ленту (рис. 11, д) высокоча­стотный яркостный сигнал служит для сиг­нала цветности напряжением подмагничива- ния. На субъективное качество изображения основное влияние оказывает полоса частот сигнала яркости. Поскольку полоса видео­сигнала 1 МГц соответствует разрешающей способности по горизонтали 78 линий, то в формате VHS достигается разрешение только до 240 линий. При черно-белом изоб­ражении, в отличие от цветного, в ограничении полосы ФНЧ для отделения мешающих сигналов цветности нет необходимости и четкость может быть несколько выше. Одна­ко теперь на телевидении сигнал цветности не отключается даже при показе архивных черно-белых кинокартин.

На рис. 12 представлены более подроб­но спектры сигналов форматов VHS, S-VHS, Video-8 и Hi-8 в процессе их формирования.

В формате S-VHS благодаря использо­ванию более высококачественной металло­порошковой магнитной ленты удалось до­биться разрешения в 430 линий. При этом

полоса сигнала яркости около 5 МГц, под- несущая 6,2 МГц, девиация частоты увели­чена с 3,8...4,8 МГц до 5,4...7 МГц, что по­зволило повысить отношение сигнал/шум и улучшить контрастность изображения. Сигнал цветности при приеме ТВ сигнала, как и в формате VHS, выделяется полосо­вым фильтром в виде полосы 1 МГц с цент­ральной частотой 4,43 МГц и преобразует­ся в сигнал с низкочастотной поднесущей PAL частотой 625,95 кГц.

Для сравнения на рис. 12 приведены спектры сигналов при формировании форматов Video-8 и Hi-8. При дальнейшей дора­ботке фирмой SONY Video-8 в формате Hi-8 реализована большая девиация ЧМ сигнала яркости благодаря более высокой несущей частоте. Вместо прежней девиации 1,2 МГц в Video-8 здесь используется девиация 2 МГц от уровня синхроимпульсов до уровня белого.

Рис. 10

Как видно из рис. 12, максимальная ча­стота ЧМ сигнала яркости, записываемая в формате S-VHS, на 2,2 МГц выше соответ­ствующей частоты в формате VHS. Вслед­ствие этого уменьшается минимальная длина волны записываемых сигналов, что влечет за собой снижение уровня намаг­ниченности и, соответственно, уровня вос­производимого сигнала.

Рис. 11

Для расширения рабочего диапазона ча­стот используется не только специальная магнитная лента, имеющая значительно уве­личенные коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию, но и видеоголовки специальной конструкции и с металли­ческим магнитопроводом, которые обеспе­чивают более высокий уровень выходного сигнала и позволяют нормально записывать и воспроизводить сигналы в формате S-VHS.

Для уменьшения искажения цветности потребовалось повысить отношение сигнал/ шум. Это осуществлено путем введения спе­циальной цепи шумоподавления. В резуль­тате удалось избавиться от вялости, рас­плывчатости цвета с выцветшими тонами.

Использование на входе и выходе ап­парата полных цветовых сигналов требует пропускания видеосигнала через раздели­тельные фильтры, схемы модуляции, демо­дуляции и преобразования, что заметно ухудшает качество изображения. Особенно заметно это сказывается при многократных перезаписях, так как качество изображения существенно ухудшается чуть ли ни после второй - третьей перезаписи. Поэтому фир­ма PANASONIC предложила раздельное (компонентное) копирование, при котором сигналы яркости и цветности во время перезаписи передаются от ВМ (камеры) на записывающий аппарат либо без демодули­рования и преобразования, либо после де­модулирования и преобразования, но без суммирования в полный цветовой сигнал. В результате получились высокие показате­ли формата S-VHS при тиражировании запи­сей. В современных моделях, реализующих этот формат, удалось добиться того, что в четвертой копии четкость снижается всего лишь до 350 твл, а отношение сигнал/шум в канале яркости - лишь до 49 дБ (в ориги­нале четкость 400 твл, а отношение сигнал/ шум в канале яркости 57,2 дБ).

В формате S-VHS раздельные сигналы яркости и цветности подаются в аппарат S-VHS и выводятся из него через специаль­ный 4-штырьковый соединитель типа DIN. Обычно такие соединители обозначаются S-VIDEO IN - входной и S-VIDEO OUT - вы­ходной.

В последнее время выходные S-сигналы формата S-VHS используются не только для перезаписи, но и для воспроизведения на телевизорах, имеющих специальные S-bxo- ды, т.е. оснащенных дополнительным S-со­единителем. При таком подключении к те­левизору в полной мере выявляются все преимущества формата S-VHS, и разреша­ющая способность полученного изображе­ния действительно достигает значения не менее 420 твл. Профессиональные аппара­ты S-VHS для перезаписи оснащены допол­нительно еще 7-штырьковыми соединителя­ми DUB IN и DUB OUT. При воспроизведении сигналы яркости на них поступают сразу же после ЧМ демодулирования, а сигналы цвет­ности - непосредственно на низкочастотной поднесущей. Очевидно, что при использова­нии таких сигналов для перезаписи и монта­жа искажений оказывается еще меньше, чем при использовании S-сигналов. Особенно заметно преимущества использования ком­понентных сигналов при перезаписи начина­ют сказываться начиная с третьей копии.

Для системы VHS в середине 80-х гг. было предложено повысить четкость изображения и избежать его сильного ухудшения при мно­гократной перезаписи путем введения техно­логии HQ (High Quality Picture Technology-тех­ника высококачественного изображения). Она подразумевает повышение уровня огра­ничения белого в сигнале яркости перед по­дачей на частотный модулятор и подъем ВЧ составляющих спектра перед записью. В результате при воспроизведении заметно снижаются искажения фронтов и спадов им­пульсного напряжения, повышается чет­кость графики в изображении. Кроме того, введена цепь выделения деталей изображе­ния (ФВЧ и подавитель помех), которая под­черкивает мелкие элементы на экране.

Специальная цепь шумоподавления в канале яркости, использующая наличие вертикаль­ной корреляции в ТВ сигнале и позволяющая значительно улучшить отношение сигнал/ шум, значительно повышает равномерность передачи яркости гладких поверхностей при одинаковой освещенности.

Добавление специального процессора для обработки сигнала цветности позволя­ет избавиться от горизонтальной цветной «тянучки», которая придает цветным объек­там размытые контуры. Принцип работы это­го процессора аналогичен принципу работы шумоподавления в канале яркости. В резуль­тате применения процессора цветности по­вышается отношение «сигнал цветности/ шум», а следовательно, уменьшаются ошиб­ки цветопередачи из-за шумов, и воспроиз­ведение цветных контуров становится более четким. Схемные усовершенствования HQ позволяют настолько улучшить четкость воспроизведения мелких деталей и по­высить резкость воспроизводимого изоб­ражения, что возникает иллюзия как бы расширения АЧХ канала записи/воспроиз­ведения. В дальнейшем все ВМ выпускались в формате VHS-HQ.

Однако с самого появления ВМ одна из основных проблем - это взаимозаменяе­мость видеозаписей, сделанных на различ­ных аппаратах. Как видно из рис. 9 и 10, незначительного отклонения параметров транспортировки ленты и движения ВГ - как механических, так и электрических - доста­точно, чтобы ВГ не могла идеально отсле­дить свою видеодорожку, что из-за ази­мутального разворота зазоров приводит к появлению шумовых полос на экране теле­визора. Еще хуже обстоят дела при спецре- жимах транспортировки - стоп-кадре, уско­ренном и замедленном воспроизведении. Ничего иного сделать нельзя, кроме уста­новки одной или двух дополнительных ви­деоголовок рядом с основными, чтобы ком­пенсировать потери сигнала при нарушении траектории движения ВГ. Дополнительные головки, стоящие рядом с основными, име­ют меньшую высоту и противоположный ази­мутальный угол поворота зазора. Поэтому при выходе видеоголовки со своей дорожки падает уровень воспроизводимого сигнала и коммутатор подключает вход усилителя воспроизведения к дополнительной голов­ке, уровень сигнала с которой намного боль­ше. Благодаря тому, что дополнительные го­ловки имеют почти в два раза более тонкий сердечник, на стоп-кадре воспроизведения они могут отслеживать широкую видеодо­рожку без потерь, а на вдвое меньшей ско­рости транспортировки LP (Long Play) они работают вместо основных ВГ как при за­писи, так и при воспроизведении. Таким образом, появление 3-головочных ВМ по­зволило разрешить проблему высококаче­ственного воспроизведения только стоп- кадра, а с появлением 4-головочных ВМ были решены все проблемы воспроизве­дения как «чужих» записей, так и работы в ус­коренных и замедленных режимах транспор­тировки.

Качество звукового сопровождения, за­писываемое на продольной звуковой дорож­ке, удалось повысить благодаря использо­ванию частотной или импульсно-кодовой модуляции и наклонно-строчной записи зву­ковых сигналов двумя вращающимися маг­нитными головками (аналогично видеоза­писи) с перекосом рабочих зазоров на +30° и -30° для развязки сигналов соседних доро­жек при воспроизведении. Линейная скорость записи увеличилась с 2,339 до 4,84 м/с. ЧМ сигналы записываются на несущих 1,3 и 1,7 МГц соответственно для левого и пра­вого каналов стереофонического сопровож­дения (см. рис. 9.12). Количество вращаю­щихся головок увеличилось до 6.

Все это позволило обеспечить полосу воспроизведения до 20 кГц с затуханием между каналами 60 дБ и отношением сигнал/ шум -76 дБ. Такие ВМ получили обозначение Hi-Fi и пригодны для высококачественной за­писи чисто звуковых сигналов на кассету VHS с возможностью ручной регулировки уровня записи по двум стереоиндикаторам.

Магнитограммы звуковых и видеосигна­лов разделены в толще рабочего слоя лен­ты по глубине, поскольку ЧМ сигнал звука записывается вращающейся головкой в маг­нитном слое ленты на достаточно большой глубине, а видеосигнал записывается над звуковым сигналом близко к поверхности магнитного слоя ленты.

Схематично процесс записи звуковых и видеосигналов вращающимися головками, движущимися вдоль строки записи, показан на рис. 13. Как видно из рисунка, первой движется звуковая головка, которая намаг­ничивает рабочий слой на большую глубину.

Рис. 13

За ней следует видеоголовка, которая запи­сывает видеосигнал в приповерхностной ча­сти магнитного слоя, намагничивая его на очень малую глубину.

Различия в углах наклона зазоров звуко­вой и соответствующей видеоголовки, а так­же между несущими частотами составляю­щих видеосигнала и несущими ЧМ сигналов звука, гарантируют четкое воспроизведение и последующее разделение звуковых и ви­деосигналов без взаимных помех несмотря на то, что они записаны в одном и том же месте ленты. Но все же В Г частично воспро­изводят звуковой сигнал, а возникающая при этом небольшая пульсация воспроизводи­мого видеосигнала легко устраняется амп­литудным ограничением.

Хотя уровень воспроизводимого ЧМ сиг­нала звука снижается примерно на 12 дБ и из-за стирания видеоголовкой верхнего слоя магнитограммы ухудшается отношение сигнал/шум, уровень воспроизводимого звукового сигнала все же намного выше уровня воспроизводимого видеосигнала, так как глубина записи звукового сигнала значи­тельно больше, чем у видеосигнала, а уро­вень воспроизведения пропорционален глу­бине и ширине магнитограммы.

Поэтому оказалось возможным умень­шить ширину строк записи ЧМ сигнала зву­ка, соответственно уменьшив высоту сер­дечника вращающихся звуковых головок. Между строками записи звукового ЧМ сиг­нала появился защитный промежуток, а это в свою очередь значительно снизило пере­крестные помехи между соседними строка­ми записи.